Analisi in vitro ed in silico del comportamento meccanico di un sistema pallone-mesh vertebrale in prove di espansione libera

Vertebral compression fractures are a hallmark of osteoporotic and tumoral processes at the level of the spine. Vertebroplasty and kyphoplasty are the gold standard in the mininvasive treatment of these pathologies, but often they do not ensure the correct restoration of vertebral height and kyphotic angle. That is why a new surgical technique, called “vertebral body stenting” (VBS), has been introduced. It is based on the application of a metallic vertebral stent trans-catheter introduced inside the collapsed vertebral body and then expanded through the inflation of a polymeric balloon. The overall system is then consolidated by means of the injection of bone cement (PMMA). The development of computational digital twins for the reproducible analysis of a medical device’s behavior is a very popular approach in biomedical field and its reliability is much more relevant if supported by in vitro experimental tests. However, the analysis of scientific literature has underlined the almost absence of in silico studies applied to the VBS mechanical behavior. In this work, the mechanical behavior of the VBS device has been studied following both an in vitro and a in silico approach in Abaqus/Explicit. For this reason, four main objectives have been set: i) design of an in vitro experimental trial of free expansion of a commercial VBS balloon, ii) balloon CAD model refinement and in silico modeling, iii) design of an in vitro experimental trial of free expansion of a stent for VBS, and iv) sensitivity analysis of materials and effect of crimping in stent-balloon model in silico. An experimental workbench has been designed and it has allowed the extraction of macroscopic parameters of diameter and length during free-expansion in air, used for the development of a finite element model in Abaqus/Explicit of both the balloon and the stent. A material sensitivity analysis has been carried out for the determination of the effect of different constitutive parameters on pressure-diameter curves. Finally, in silico study has been done with the objective of showing the importance of simulate the process of crimping in free expansion tests.

Le fratture da compressione del corpo vertebrale sono un segno distintivo di processi osteoporotici e tumorali a livello vertebrale. La vertebroplastica e la cifoplastica rappresentano un gold standard nel trattamento mininvasivo di queste patologie ma spesso non permettono un corretto ripristino dell’altezza del corpo vertebrale e dell’angolo cifotico. Per questo motivo, è stata introdotta una nuova tecnica chirurgica chiamata “stenting del corpo vertebrale” (VBS). Questa consiste nell’utilizzo di uno stent vertebrale metallico che viene inserito trans-catetere all’interno della vertebra fratturata e fatto espandere tramite il gonfiaggio di un pallone in materiale polimerico. Il tutto viene poi consolidato mediante l’iniezione di cemento per ossa (PMMA). Lo sviluppo di digital twins computazionali in silico, supportati da prove in vitro, è un approccio in larga espansione nel campo biomedicale. Tuttavia, l’analisi della letteratura scientifica ha evidenziato la quasi assenza di studi in silico applicati al comportamento meccanico della VBS. In questo lavoro si è studiato il comportamento meccanico del dispositivo per VBS seguendo un approccio sia in vitro sia in silico in Abaqus/Explicit. Per questo motivo sono stati fissati quattro obiettivi principali: i) progettazione di una prova sperimentale in vitro di espansione libera di un pallone commerciale, ii) perfezionamento modello CAD pallone e modellazione in silico iii) progettazione di una prova sperimentale in vitro di espansione libera di uno stent per VBS, e iv) analisi di sensitività dei materiali e dell’effetto del crimping nel modello in silico stent-pallone. Un banco di prova sperimentale è stato progettato e ha permesso l’estrazione di parametri macroscopici di diametro e lunghezza, utilizzati per lo sviluppo di un modello agli elementi finiti in Abaqus/Explicit sia del pallone sia dello stent vertebrale. Un’analisi di sensitività dei materiali è stata svolta per studiare l’effetto di vari parametri costitutivi sulle curve pressione-diametro. Infine, si è andati a svolgere uno studio in silico con l’obiettivo di dimostrare l’importanza di simulare il processo di crimping in prove di espansione libera.